Nog geen werkdag met je smartphone. Voor hoe lang nog?

Op 21 april dit jaar bereikten drie smartphones een baan om de aarde, als zelfstandige, goedkope microsatellieten. Twee ervan zijn gebaseerd op de Google/HTC Nexus One. Nummer drie heeft een Google/Samsung Nexus S als brein en zintuigen.
Op aarde zijn smartphones aantrekkelijk vanwege hun snelle processoren, vele sensoren, kleine afmetingen, geringe gewicht en relatief lage prijs. Ook in de ruimte kan dat een winnende combinatie worden. En daar hoeft de accu niet leeg te raken, want boven de wolken is er zonne-energie in overvloed.

Hier beneden moet de accu voldoende energie kunnen opslaan voor minstens een volle dag intensief gebruik, en mag hij samen met al die elektronica niet meer dan circa 150 gram wegen. Met de huidige accu's lukt het nog niet om alle mogelijkheden van de smartphone volledig te benutten. Elektrische fietsen en auto's stuiten op vergelijkbare problemen. Daarom wordt er hard gezocht naar iets beters.

Lithium

Eerst het slechte nieuws: De huidige smartphone-accu's bevatten lithium als energiedrager. Een lichter metaal met betere elektrochemische eigenschappen is er niet, zodat de grenzen aan capaciteit per gewicht en volume echt wel in zicht komen. Maar er zit nog rek in, en andere verbeteringen zijn denkbaar - zoals een laadtijd van minuten in plaats van uren en een langere levensduur.

's Monsters ingewand

Elke accu bestaat uit een minpool (anode), waar energie wordt opgeslagen in de vorm van positief geladen lithiumionen; een pluspool (kathode), waar de ionen zich verzamelen als de accu stroom levert; en een tussenlaag, de elektroliet.

Een grotere capaciteit wordt mogelijk als de anode meer ionen kan bevatten. Silicium lijkt al een jaar of tien een uitstekend alternatief voor het traditionele grafiet. Een enkele siliciumatoom kan tot 4 ionen aan zich binden, terwijl daar 24 koolstofatomen voor nodig zijn. Maar al die ionen hebben ruimte nodig. Tijdens het laden en ontladen zwelt en krimpt het silicium. Bovendien wordt het actieve oppervlak vervuild door elke denkbare elektroliet. Experimentele accu's versleten daardoor veel te snel.

Afgelopen jaar vonden onderzoekers van de Stanford universiteit (Californië) een oplossing in de vorm van nanotechnologie: holle, dubbelwandige silicium buisjes op moleculaire schaal. Ionen worden opgenomen en losgelaten door de zwellende en krimpende binnenwanden, terwijl de diameter van de buisjes dankzij een keiharde buitenlaag van siliciumoxide constant blijft - en klein genoeg om de moleculen van de elektroliet net buiten de deur te houden. Experimenten laten zien dat een accu met dit type anode na 6000 keer laden en ontladen nog 85 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit zou hebben. De huidige accu's halen met moeite de 500 keer laden en ontladen.

Yi Cui (leider van Stanfords onderzoek) verwacht binnen niet al te lange tijd een productierijpe accu die meer dan twee keer zoveel energie per volume kan opslaan en bovendien veel langer meegaat. De komende jaren zullen we horen of ook de prijs aantrekkelijk wordt.

Koperschuim

Een accu kan sneller worden geladen naarmate het oppervlak van de polen groter is, want dan bereiken meer ionen tegelijk hun bestemming. In de accu's van sommige elektrische voertuigen halen nanokristallen van lithiumtitanaat circa 100 vierkante meter per gram, dertig keer het oppervlak van grafiet. Een bijna lege accu van dit type kan in tien minuten tot 90 procent vol worden geladen. Maar de capaciteit is slechts tweederde van wat een gewone smartphone-accu kan bieden en ook de prijs valt tegen.

Een deel van dit probleem schuilt in het fabricageproces. De huidige accu's worden gemaakt door vlakke lagen op elkaar te stapelen en op te vouwen of te rollen. Die aanpak beperkt de mogelijkheden voor oppervlaktevergroting. Verder bestaat de elektroliet uit vaste en gegeleerde componenten die samen een tamelijk dikke laag vormen, waardoor de ionen langer onderweg zijn.

Prieto Battery

Radicaal anders is de aanpak van Prieto Battery, een bedrijfje dat werd opgezet door de talentvolle chemicus Amy Prieto. Haar uitgangspunt is koperschuim, dat voor 98 procent van het volume uit lucht bestaat en bijdraagt aan een extreem groot oppervlak - twee keer zo groot als dat van lithiumtitanaat. Daarop worden in heel dunne lagen de anode (koperantimonide) en een droge elektroliet aangebracht, via elektrochemische processen. Vervolgens wordt het schuim gevuld met een waterige brij van nanodeeltjes, die na opdrogen de kathode vormt. Het resultaat is een accu die zich in vijf minuten laat vullen en de capaciteit van de huidige accu's met circa 25 procent overtreft. Verder mogen we rekenen op een grotere levensduur en wordt het productieproces 'echt heel goedkoop', zegt Prieto. Maar ook deze accu laat nog wel enkele jaren op zich wachten.

Niet draadloos

Maar sneller laden lukt alleen met heel andere laders. Om een lege smartphone-accu met de nu gangbare capaciteit van circa 9 wattuur in 5 minuten te vullen, moet de lader 120 watt leveren. Ter vergelijking: Een usb-poort is goed voor 2,5 watt. Gangbare stekkerladers leveren circa 5 watt. Iets van 10 of 15 watt blijft nog een handzaam dingetje. Bij 50 watt is de lader al ruimschoots groter en zwaarder dan de smartphone en is een forse connector nodig; denk aan het kabelwerk van een laptopvoeding. Is draadloos laden misschien een oplossing?

Zeker niet. Zonder draad gaat 20 tot 30 procent van de laadstroom verloren. Het verlies wordt omgezet in warmte voor de laadmat en de smartphone. De huidige draadloze laders van maximaal 5 watt kunnen weinig kwaad. Maar draadloze snelladers lijken niet kansrijk, ook al vanwege de medische zorgen over elektromagnetische straling.

Serieuze vooruitgang vraagt om een compromis. Accu's en laders kunnen het niet alleen doen. De smartphone zelf moet meer gaan bieden voor minder. Kan dat, als de gebruiker vraagt om snellere verbindingen en processors?

Zuinige 4G

4G (LTE, mobiel breedband) komt eraan - en dat helpt. Je zou het niet verwachten, maar bij 'normaal' gebruik (nadruk op websurfen) resulteert een snellere verbinding in een lager gemiddeld stroomverbruik. Zo scoort de HTC One X met 4G bijna 7 uur per acculading, terwijl hij met 3G niet verder komt dan 5 uur en 10 minuten. Is er een snelle wifi-verbinding bij de hand, dan verschijnen er 9 uur en 56 minuten op de teller!

De oorzaak: het leven van een smartphone bestaat uit veel energiezuinige slaaptijd, afgewisseld met flitsende actie. Een snellere verbinding betekent dat de processor minder tijd nodig heeft om een webpagina op het beeldscherm te zetten, want een deel van die actieve tijd wordt verspild aan wachten op nog ontbrekende data. Met andere woorden, dankzij 4G krijgt de processor meer slaaptijd per webpagina.

Maar 4G is heel aantrekkelijk voor hd-video, om bijvoorbeeld comfortabel virtueel te vergaderen. Zulke toepassingen gunnen de processor weinig slaaptijd. Het energieverbruik stijgt, daar is geen twijfel aan. Toch zijn de jongste smartphones ook dan in het voordeel. En weer komt de besparing uit een verrassende hoek: de nieuwe quadcore processors kunnen zuiniger werken dan de huidige enkelvoudige- en dualcore-types.

Meer cores, minder watts

Stel dat een tweevoudige processor maximaal wordt belast met de verwerking van een videostream. Dan wordt de hoogste klokfrequentie gebruikt en is bovendien een hoog voedingsvoltage nodig. Bij verdeling van dezelfde belasting over vier identieke processors zorgt hun regelsysteem voor een halvering van de klokfrequentie en aanpassing van het voltage, dat zakt met een kwart. De vier elk half zo zwaar belaste processors verbruiken dan samen slechts 60 procent van het vermogen dat hun twee voluit draaiende collega's verstoken.

Natuurlijk bestaat een smartphone niet alleen uit processors. Andere onderdelen zoals het geheugen doen in beide gevallen hetzelfde werk en dat beperkt de winst voor het apparaat als geheel. Een tweede, groter struikelblok is de software. De viervoudige processor is alleen in het voordeel als het werk netjes wordt verdeeld. geschikte videodecoders bestaan, maar een slecht gebouwde app kan makkelijk roet in het eten gooien. In de praktijk zal slechts een deel van de software in een smartphone efficiënt omgaan met de quadcore, zodat het voordeel soms in een nadeel kan veranderen.

En dan nog het beeldscherm. Hd-video is geen genoegen als de amoled of lcd te klein is, te weinig licht geeft, onvoldoende contrast biedt of verkeerde kleuren toont. Valt er een keus te maken die ook goed uitpakt voor de accu?

Amoled, lcd of iets anders?

In de donkere delen van een beeld dimt een amoled zijn lichtgevende pixels, terwijl het backlight van een lcd onder het diepste zwart net zoveel licht zet als onder het witste wit. Stel dat een smartphone vaak wordt gebruikt als e-reader. Kies je voor grijze letters op een zwarte achtergrond, dan is een amoled zuiniger dan een lcd. Maar geef je de voorkeur aan zwart op wit, dan worden de rollen omgedraaid.

Op webpagina's overheerst vaak het wit, zodat lcd in het voordeel is. De HTC One (lcd) verslaat daar de Samsung Galaxy S4 (amoled) met 10 tegen 8,5 uur websurfen per acculading, om een voorbeeld te noemen. Maar als videospeler doet de GS4 het met 10 uur en 16 minuten een kwartiertje beter dan de One, onder andere dankzij het gemiddeld minder witte beeld. Beide smartphones hebben een quadcore onder de motorkap. Het beeldscherm van de GS4 is iets groter.

Fatsoenlijk beeld bij daglicht in de buurt van een raam - laat staan buiten - vraagt veel licht en dus veel stroom van zowel amoled als lcd. Alleen een heel andere techniek kan daar iets aan veranderen. Veel e-readers maken gebruik van e-inkt om zwart, wit en grijstonen weer te geven in weerkaatst licht, net als papier. Direct zonlicht maakt hun beeld alleen maar beter en het stroomverbruik is extreem laag. Zoiets kan ook in kleur; afgelopen herfst demonstreerde Japan Display video op een lcd zonder backlight. Maar de helderheid en de kleurkwaliteit lieten veel te wensen over. Er is nog geen zicht op iets wat in weerkaatst licht even mooi is als de huidige lcd's en amoleds. En we willen geen concessies doen aan meer uren per acculading.

Struikelen over de lader

Het zou kunnen dat de grens aan het aantal uren dat een accu meegaat wordt bepaald door de prestaties van een handzaam en goedkoop acculadertje, met een dun snoer en de kleine connector die past bij een elegante smartphone. Want ook aan gemak, prijs en schijnbare eenvoud wil de gebruiker niets inleveren. Apple gaf de iPad 4 een accu van maar liefst 42,5 wattuur om aan de energiebehoefte van het grote Retina beeldscherm te kunnen voldoen. Maar de lader levert slechts 12 watt, voor 5,7 uur laadtijd van leeg tot vol!

De iPad-accu is niet verwisselbaar. En dat geldt ook voor de accu's van populaire smartphones zoals de LG Optimus G, de HTC One S en natuurlijk de iPhones. Daaruit valt op te maken dat gebruikers in het algemeen weinig waarde hechten aan een snel antwoord op een lege accu. 's Avonds aan de lader hangen, 's morgens vol en overdag soms nog wat bijladen - men vindt het goed genoeg. Wat betekent dat betere accu's waarschijnlijk geen vraag naar sterkere laders zullen veroorzaken. 12 watt en 6 uur laadtijd markeren wellicht het praktische eindpunt, hoe goed toekomstige accu's ook worden. Maar ook in dat geval hebben we nog twee verdubbelingen te gaan. En met 40 wattuur in een net zo licht en klein pakketje kan de smartphone best volwassen worden.

Omgaan met lithium-ion

De Samsung Galaxy S4 heeft een forse accu aan boord: 9,6 wattuur. Net als elke lithium-ion accu kan hij in vlot tempo tot circa 85 procent vol worden geladen - mits een stevige lader wordt gebruikt. Samsung adviseert een 10 watt lader (type ETA-U90) die 2 ampère kan leveren. Daarmee wordt de 85 procent in ongeveer een uur bereikt, uitgaande van een bijna lege accu. Voor de resterende 15 procent zijn twee uur nodig. En ook dat geldt voor elke lithium-ion accu; het is de aard van de chemie.

Tot nu toe gangbare laders leveren 5 watt of minder. De usb-poort van een pc laat het bij 2,5 watt. Bruikbaar voor wat oudere smartphones, met accu's van circa 5 wattuur. Het opladen van de jongste generatie gaat met zulk gereedschap onnodig lang duren.

Maar als als de lader meer dan 10 watt levert, wordt de accu dan sneller gevuld, althans tot 85 procent? Nee, want ook de nieuwste accu's kunnen slechts een beperkte laadstroom accepteren. 9,6 wattuur wil zeggen 2,6 ampère-uur (of 2600 mAh), want een smartphone-accu levert 3,7 volt. Die 2,6 wordt 'C' genoemd, en de veilige laadstroom voor een smartphone-accu is gewoonlijk minder dan 0,8 C. Aangezien 2 ampère overeen komt met 0,77 C is een 10 watt lader voor de GS4 mooi op maat.

Is het beter voor een accu als hij telkens 100 procent vol wordt geladen? Ook niet; op lithium gebaseerde accu's gaan juist langer mee als ze niet tot de rand worden gevuld. Altijd diep ontladen is net zomin verstandig. Een accu die telkens wordt bijgeladen als hij half leeg is, kan tot 1500 laadcycli verdragen voor de capaciteit met 25 procent is afgenomen. Maar wordt hij steeds zo ver leeg getrokken als de smartphone toelaat, dan zal hij de 500 keer niet halen. Dagelijks of vaker een uurtje of nog minder bijladen vergroot dus de levensduur van de accu, ook als het gaat om de in totaal verwerkte hoeveelheid energie.

Verder is het vooral zaak de smartphone koel te houden. Bij 25°C verliest een volle accu in een jaar 20 procent van zijn capaciteit, ook als hij niet wordt gebruikt. Bij hogere temperaturen is de schade nog aanzienlijk groter. Smartphone in een tas of in een binnenzak? Beter in een tas.